高壓電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣料后吸法工藝的探索

鄭 陽，張 斌，劉美兵，陳文卿，劉敬銳

(浙江萬馬高分子材料集團(tuán)有限公司，浙江臨安 311305)

0 前言

化學(xué)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜是目前應(yīng)用最廣泛的電力電纜之一，其性能的優(yōu)劣和質(zhì)量的高低直接影響輸配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[1-2]。

化學(xué)交聯(lián)聚乙烯交聯(lián)工藝主要有混煉法和后吸法兩種。其中，后吸法工藝大大提高了電纜料的潔凈度，克服了混煉法工藝中聚乙烯基料無法去除雜質(zhì)、不能生產(chǎn)超純凈電纜料的弊端。后吸法工藝的關(guān)鍵點(diǎn)在于基料雜質(zhì)的過濾和交聯(lián)劑的吸收。雜質(zhì)的過濾可以通過選擇合適的工藝和過濾網(wǎng)，并定期更換來控制。交聯(lián)劑的吸收則要選擇合適的溫度、時間及振蕩頻率。吸收溫度過低不利于交聯(lián)劑的吸收；吸收溫度過高則會影響產(chǎn)品性能，使粒子變色。吸收時間過短會導(dǎo)致吸收不充分；吸收時間過長則會影響生產(chǎn)效率。振蕩頻率過低會使吸收不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定；振蕩頻率過高則會增加成本。因此，選擇合適的溫度、時間及振蕩頻率對于生產(chǎn)至關(guān)重要[3]。

為了研究后吸法工藝中不同工藝參數(shù)對電纜性能的影響，了解各參數(shù)影響的顯著性，從而確定最佳的工藝方案，需要進(jìn)行大量試驗。工藝參數(shù)過多會導(dǎo)致試驗的次數(shù)增多，周期拉長，影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。為了減少試驗次數(shù)，縮短試驗周期，降低試驗誤差，使試驗數(shù)據(jù)具有較好的統(tǒng)計分析性質(zhì)，往往采用正交試驗[4]。正交試驗?zāi)軌蛲ㄟ^較少的試驗次數(shù)，分析出各參數(shù)之間的差異性，在減少試驗誤差的同時給出各參數(shù)之間的顯著性，推斷出最優(yōu)方案。

1 試驗部分

1.1 主要原料

低密度聚乙烯，市售(高清潔度)；

抗氧劑，4,4′-硫代雙(6-叔丁基間甲酚)(TBM-6)，美國大湖公司；

交聯(lián)劑，過氧化二異丙苯(DCP)，江蘇道明化學(xué)有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)，TE-34，擠壓機(jī)械研究所；

恒溫干燥箱，SXH-8，中國昆山松鑫電子工業(yè)設(shè)備有限公司；

平板硫化儀，XLB-D，湖州順力橡膠機(jī)械有限公司；

裁片機(jī)，CP-25，江都市新真威試驗機(jī)械有限責(zé)任公司；

介電強(qiáng)度測試儀，BDJC-100 kV，北京北廣精儀儀器設(shè)備有限公司；

高溫老化試驗箱，LHX-II，呼和浩特市德塔線纜測試儀器有限公司；

固體材料介電強(qiáng)度試驗儀，ZHZ1E，上海培誠電子技術(shù)發(fā)展有限公司；

高精密高壓電容電橋，QS301，上海培誠電子技術(shù)發(fā)展有限公司；

電子式萬能試驗機(jī)，QJ210A，上海傾技儀器儀表科技有限公司；

高絕緣電阻測量儀，ZC36，上海培誠電子技術(shù)發(fā)展有限公司。

1.3 方案設(shè)計

后吸法工藝中對于絕緣料性能影響較大的因素主要有：吸收時間、吸收溫度和振蕩頻率。試驗中，將上述3項作為試驗因子A、B、C，對每個因子各取3個水平(見表1)。

表1 正交試驗因子水平表

通過查正交表，選擇L9(34)安排試驗(見表2)。

表2 正交試驗方案表

1.4 樣品制備

1.4.1 三通料制備

向低密度聚乙烯基料中添加抗氧劑 TBM-6，通過雙螺桿擠出造粒，制備出低密度聚乙烯/抗氧劑復(fù)合材料。雙螺桿擠出機(jī)各段溫度設(shè)置為115 ℃、135 ℃、165 ℃、200 ℃、200 ℃、200 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為800 r/min。

1.4.2 成品樣制備

采用后吸法向三通料中添加交聯(lián)劑DCP，試驗方案見表1、表2。

1.4.3 測試樣制備

采用模壓法制備，交聯(lián)條件為(175±5) ℃、20 MPa、15 min。模壓時先不加壓預(yù)熱30 s，再在加壓10 MPa條件下預(yù)熱30 s，然后在加壓20 MPa條件下模壓15 min后取出，在加壓20 MPa的冷卻平板硫化儀中冷卻 3 min制備得測試樣。測試樣厚度為(1.0±0.1) mm，測試樣表面應(yīng)平整光滑，無肉眼可見的氣孔和雜質(zhì)缺陷。測試樣制備完成后應(yīng)靜置16 h后再進(jìn)行各項檢測。

2 結(jié)果分析

2.1 常規(guī)性能

測試樣的常規(guī)性能試驗結(jié)果見表3。

表3 常規(guī)性能試驗結(jié)果

由表3可以看出：

(1) 9組試驗在介質(zhì)損耗因數(shù)、相對介電常數(shù)、體積電阻率和介電強(qiáng)度4個指標(biāo)上并無明顯差異。

(2) 對于外觀指標(biāo)，第3號、第6號、第9號試驗測試樣顏色帶黃色，其他6組試驗測試樣顏色為白色。

(3) 對于熱延伸率指標(biāo)，第9號試驗熱延伸率過大，不符合標(biāo)準(zhǔn)，其他8組試驗中，第7號試驗熱延伸率最小，第6號試驗熱延伸率最大。

(4) 通過極差分析可以判斷各參數(shù)對于結(jié)果影響的顯著性，其中熱延伸率的極差分析見表4。

表4 熱延伸率指標(biāo)均值極差分析

由表4可以看出：對于熱延伸率指標(biāo)，試驗因子的顯著性順序從大到小排列為RB>RC>RA。

2.2 綜合電氣強(qiáng)度可靠性分析

采用威布爾分析測試樣介電強(qiáng)度、形狀參數(shù)和尺度參數(shù)(見表5)，通過極差分析可以比較各組試驗的綜合電氣強(qiáng)度可靠性，分析結(jié)果見表6～表8。

表5 綜合電氣強(qiáng)度參數(shù)表

表6 介電強(qiáng)度指標(biāo)均值極差分析

表7 形狀參數(shù)均值極差分析

表8 尺度參數(shù)均值極差分析

由表6、表7和表8可以看出：

(1) 對于介電強(qiáng)度指標(biāo)，試驗因子的顯著性順序從大到小排列為RA>RC>RB。

(2) 對于形狀參數(shù)指標(biāo)，試驗因子的顯著性順序從大到小排列為RA>RC>RB。

(3) 對于尺度參數(shù)指標(biāo)，試驗因子的顯著性順序從大到小排列為RA>RC>RB。

綜上所述，對于綜合電氣強(qiáng)度可靠性指標(biāo)，試驗因子的顯著性順序從大到小排列為RA>RC>RB。

2.3 試驗結(jié)果綜合分析

通過分析上述試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，后吸法工藝對于性能的影響主要體現(xiàn)在外觀和熱延伸率指標(biāo)上，對9組試驗的這2項指標(biāo)和綜合電氣強(qiáng)度可靠性進(jìn)行評估之后，最優(yōu)的因子組合應(yīng)該為A2B1C2,即第4號測試樣。

2.4 對比分析

為了驗證最優(yōu)配方(第4號測試樣)的各項性能指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，選取了浙江萬馬高分子材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的YJ-110絕緣料(簡稱YJ-110)與國外超凈交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣料(簡稱進(jìn)口樣)作為對比樣進(jìn)行分析，尋找該配方的優(yōu)勢和不足。對比結(jié)果見表9。

表9 常規(guī)性能對比

由表9可以看出：第4號測試樣、YJ-110和進(jìn)口樣的常規(guī)性能并無明顯差異，但第4號測試樣在抗老化性能和介電性能指標(biāo)上略優(yōu)于對比樣，利用該方法可用于開發(fā)新型高壓絕緣料的工藝探索。

為了進(jìn)一步對比驗證第4號測試樣、YJ-100、進(jìn)口樣的加工性能，對第4號測試樣、YJ-100、進(jìn)口樣進(jìn)行流變性能測試，結(jié)果見圖1。

圖1 流變曲線

由圖1可以看出：第4號測試樣流變性能最優(yōu)，即抗焦燒性能最優(yōu)，在生產(chǎn)的放線時，更好地預(yù)防焦燒，新配方適應(yīng)于擠出更大尺度的電纜。

3 結(jié)語

筆者采用L9(34)正交試驗表，對后吸法工藝中影響絕緣料性能的三個因素，即吸收時間、吸收溫度和振蕩頻率進(jìn)行對比分析，得出最優(yōu)工藝條件為：吸收時間為16 h，吸收溫度為70 ℃，振蕩頻率為10 min-1。該工藝條件下所得試樣各項性能均符合標(biāo)準(zhǔn)，主要性能與國內(nèi)外主流產(chǎn)品并無明顯差異，抗老化和介電性能更優(yōu)。

利用正交試驗設(shè)計對改進(jìn)開發(fā)更優(yōu)國產(chǎn)高壓及超高壓絕緣料，全方面地評估材料性能，具有一定的促進(jìn)效果。